DE3519807A1 - Intelligentes ein-/ausgabe-system - Google Patents

Description

^ General Electric Company

Intelligentes Ein-/Ausgabe-System

Die Erfindung betrifft ein intelligentes Ein-/Ausgabe-System der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art und befaßt sich allgemein mit Verfahren und Anordnungen zur Verwendung bei "programmierbaren Controllern".

Die ProzeßSteuerung mit einem programmierbaren Controller beinhaltet das Erfassen von Eingangssignalen aus verschiedenen Prozeßfühlern und das Abgeben von Ausgangssignalen an gesteuerte Elemente des Prozesses. Der Prozeß wird daher in Abhängigkeit von einem gespeicherten Programm und von Prozeßzuständen gesteuert, die durch die Fühler berichtet werden. Zahlreiche und verschiedene Prozesse unterliegen selbstverständlich einer solchen Steuerung, und der sequentielle Betrieb von industriellen Prozessen, Förderanlagen sowie chemischen, Erdöl- und metallurgischen Prozessen kann beispielsweise vorteilhafterweise durch programmierbare Controller gesteuert werden.

Programmierbare Controller sind eine relativ junge Entwicklung. Ein bekannter programmierbarer Controller enthält eine Zentraleinheit (CPU), die, grob gesagt, aus einem Daten-

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prozessor zum Ausführen des gespeicherten Programms/ einer Speichereinheit ausreichender Größe zum Speichern des Programms und der sich auf den Status der Eingänge und Ausgänge beziehenden Daten und eineroder mehrerenStromversorgungen aufgebaut ist. Darüber hinaus bildet ein Ein-/Ausgabe(E/A)-System die Schnittstelle zwischen der Zentraleinheit und den Eingabevorrichtungen sowie den gesteuerten Elementen des Prozesses/ der gesteuert wird.

Ein-/Ausgabe-Systerne sind seit dem Aufkommen von programmierbaren Controllern relativ unverändert geblieben und bedürfen am dringendsten einer Verbesserung. Es sind zwar einige Fortschritte bei E/A-Systemen gemacht worden, die Verbesserungen bewegen sich aber im allgemeinen auf denselben Linien, denen in der Vergangenheit gefolgt worden ist. Beispielsweise beschreibt die US-PS 4 293 924 ein E/A-System, bei dem die Dichte der Schnittstelle vergrößert wird. Eine weitere Möglichkeit, die in der US-PS 4 247 882 beschrieben ist, besteht darin, sich auf die Verbesserung der Unterbringung des Ein-/Ausgabe-Systems zu konzentrieren. Mit der fortschreitenden Komplexität der Prozesse, die gesteuert werden müssen, und mit einem Bedarf an einem größeren Austausch von Information zwischen dem Prozeß und der Zentraleinheit sind jedoch andere Verbesserungsmöglichkeiten der E/A-Probleme notwendig geworden.

Das herkömmliche E/A-System besteht aus einer Anzahl von einzelnen E/A-Punkten, von denen jeder dazu bestimmt ist, entweder das Signal aus einer Eingabevorrichtung (z.B. einem Grenzschalter, einem Druckschalter, usw.) zu empfangen oder ein Steuersignal an eine Ausgabevorrichtung (z.B. einen Elektromagnet, einen Motoranlasser, usw.) abzugeben, je nach dem, wie die Schaltungsanordnung für den besonderen E/A-Punkt aufgebaut ist. Das heißt, ein E/A-Punkt ist zweckbestimmt entweder ein Eingabepunkt oder ein Ausgabepunkt und kann nicht ohne weiteres von einem in den anderen Verwendungszweck umgewandelt werden.

Ein Problem bei den bekannten E/A-Systemen (insbesondere dann, wenn diese bei einem komplexen Prozeß benutzt werden) sind die hohen Installationskosten. E/A-Moduln oder -Schaltungskarten werden typisch in Kartengestellen oder -käfigen untergebracht. Zur Steuerung eines umfangreichen oder komplexen Prozesses muß eine große Anzahl von E/A-Punkten in jedem Gestell oder Käfig vorgesehen werden. Das bringt notwendigerweise große Verdrahtungskosten mit sich (sowohl für die Arbeit als auch für die Materialien), da Drähte von sämtlichen Ein- und Ausgabe-Vorrichtungen in das E/A-Gestell gebracht werden müssen.

Weitere Probleme ergeben sich dann aus der Verwendung eines großen E/A-Gestells, weil es häufig schwierig ist, sämtliche Drähte in das Gestell zu führen, um die Anschlüsse herzustellen. Obgleich es bekannt ist, wenigstens einen Teil eines E/A-Systems in einem Gehäuse oder Gestell entfernt von der CPU vorzusehen (um zu versuchen, die E/A näher zu dem Prozeß zu bringen, der gesteuert wird), sind diese Probleme noch nicht beseitigt, da es eine Konzentration von Ein-/ Ausgabe-Verdrahtung an einem einzelnen (obgleich entfernten) Ort gibt. Weitere Komplikationen ergeben sich bei der Wärmeableitung in einem konzentrierten E/A-System, und aus diesem Grund ist es häufig notwendig, ein E/A-System mit weniger als seiner optimalen Nennleistung zu betreiben.

Ein weiteres Problem bei gegenwärtigen E/A-Systemen ist, daß bei ihnen die Diagnose und Fehlersuche schwierig sind, und zwar ungeachtet dessen, ob die Störungen in dem programmierbaren Controller selbst oder in dem gesteuerten Prozeß auftreten. Die Erfahrung hat gezeigt, daß die meisten On-Line-Ausfälle, die bei einem Controller auftreten, in dem E/A-System auftreten. Der CPU-Teil ist nun äußerst verfeinert, denn er hat in großem Maße von den Fortschritten profitiert, die beispielsweise in der Mikroprozessortechnologie und in der Datenverarbeitung gemacht worden sind. Wenn

ein elektrischer Ausfall auftritt, ist jedoch eine frühe Erkennung und Diagnose der genauen Art des Problems häufig kritisch. Es ist natürlich erwünscht, ein ausgefallenes Teil durch eine frühzeitige Warnung statt erst dann zu erkennen, nachdem ein gewisser Teil des Prozesses außer Kontrolle ist.

Bei den bekannten E/A-Systemen ist das frühe Erkennen von Ausfällen schwierig, und selbst dann, wenn ein Ausfall gemeldet wird, kann es sein, daß sein Ort und seine Art nicht ohne weiteres zu erkennen sind. In vielen Fällen ist es sogar schwierig, Controller-E/A-Ausfälle von ausgefallenen Elementen (z.B. Motoren, Druckknöpfen, usw.) in dem Prozeß zu trennen. Diagnosemerkmale, insbesondere für das Controller— E/A-System,fehlen einfach. Verbesserungen bei der Diagnose und bei der Verhinderung von E/A-System-Ausfällen werden deshalb eifrig gesucht.

Das Problem der Diagnose von Ausfällen wird manchmal erschwert, weil jeder E/A-Punkt gewöhnlich durch eine Sicherung geschützt ist. Die Sicherung schützt zwar den besonderen E/A-Modul vor überstrom, häufig vergrößert sie jedoch das Problem. Beispielsweise kann ein bloßer transienter Strom die Sicherung zum Durchbrennen bringen, wodurch der E/A-Punkt vollständig außer Betrieb gesetzt wird, bis der ausgefallene Punkt lokalisiert und die Sicherung ausgetauscht werden kann.

Etwas verwandt damit ist das Problem des Austauschens von Diagnose- und Steuerinformation zwischen einem steuernden Teil und einem gesteuerten Teil eines E/A-Systems. Es kann beispielsweise vorkommen, daß nichtzentrale E/A-Moduln benutzt werden, um ein E/A-System aufzubauen. In einem solchen Fall ist es erwünscht, einfache, zuverlässige Einrichtungen und Verfahren zum Austauschen von solcher Information zur Verfügung zu haben.

Noch ein weiterer Nachteil von herkömmlichen E/A-Systemen ist, daß (wie oben erwähnt) jeder E/A-Punkt strikt als ein

Eingabepunkt oder als ein Aüsgabepunkt arbeitet. Derselbe Punkt kann nicht ohne weiteres von dem einen Verwendungszweck in den anderen umgewandelt werden. Der Benutzer eines programmierbaren Controllers ist deshalb gezwungen, Eingabe- und Ausgabe-Funktionen separat zu wählen, und zwar auf der Basis einer Anfangsschätzung des Bedarfes. Es gibt einen entschiedenen Mangel an Flexibilität hinsichtlich eines unvorhergesehenen zukünftigen Bedarfs. Da die E/A-Punkte typisch in Gruppen verfügbar sind (z.B. sechs oder acht Punkte pro Schaltungskarte), gibt es außerdem häufig eine große Anzahl von unbenutzten E/A-Punkten in einem Steuersystem.

Es ist demgemäß Hauptaufgabe der Erfindung, ein Ein-/Ausgabe-Systern zu schaffen, das diese Nachteile der herkömmlichen E/A-Systeme beseitigt. Insbesondere wird jedoch angestrebt, ein E/A-System zu schaffen, bei dem jeder E/A-Punkt wahlweise entweder als ein Eingabepunkt oder als ein Ausgabepunkt arbeiten kann.

Darüber hinaus wird angestrebt, ein Ein-/Ausgabe-System zu schaffen, bei dem jeder E/A-Punkt gegen überstrom- und Uberspannungszustände selbstgeschützt ist, ohne daß Sicherungen oder Leistungsschalter benutzt werden, und bei dem für jeden E/A-Punkt kontinuierlich und automatisch eine Ausfalldiagnose sowohl innerhalb des E/A-Systems als auch innerhalb des gesteuerten Prozesses gemacht wird und erkannte Ausfälle identifiziert und automatisch gemeldet werden. Weiter soll durch die Erfindung ein E/A-System geschaffen werden, das einfach und wirtschaftlich zu verdrahten und zu gebrauchen ist und einzelne E/A-Punkte in nichtzentralen Gruppen oder Moduln zur Anordnung in unmittelbarer Nähe des Prozesses oder eines besonderen Teils des Prozesses, der zu steuern ist, aufweist. Ferner soll durch die Erfindung ein E/A-System geschaffen werden, das Einrichtungen aufweist zur überwachung, Steuerung und Fehlersuche jedes E/A-Punktes unabhängig von der herkömmlichen Zentraleinheit.

Noch weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung ergeben,

Die Erfindung schafft ein intelligentes Ein-/Ausgabe-System zur Verwendung bei einem programmierbaren Controller, das mehrere Ein-/Ausgabe(E/A)-Moduln enthält, von denen jeder in der Nähe des Prozesses oder eines Teils desselben,der gesteuert wird, angeordnet sein kann. Jeder Modul ist über eine Übertragungsverbindung mit einer Zentraleinheit (CPU) durch einen E/A-Controller verbunden. Jeder Modul besteht seinerseits aus mehreren Ein-/Ausgabe-Schaltungen, von denen jede wahlweise als eine Eingabeschaltung (zum Empfangen eines Eingangssignals aus dem Prozeß) oder als eine Ausgabeschaltung (zum Abgeben eines Ausgangssteuersignals an den Prozeß) betrieben werden kann. Das Wählen des Betriebes als Eingabe- oder Ausgabeschaltung erfolgt vorzugsweise unter der Steuerung der CPU und von deren gespeichertem Betriebsprogramm. Jeder E/A-Modul enthält weiter eine Betriebssteuereinheit (Mikrocontroller) zum direkten Steuern jeder E/A-Schaltung und zum geordneten Austauschen von Diagnose- und Steuersignalen zwischen jeder E/A-Schaltung und dem E/AController sowie der CPU. Übertragungen zwischen der Betriebssteuereinheit jedes Moduls und jeder E/A-Schaltung desselben erfolgen vorzugsweise über ein Paar Leiter, von denen ein Leiter einen Satz wiederkehrender Steuersignale (z.B. in Signalrahmen) und der andere codierte Diagnosesignale transportiert. Als ein Merkmal jedes E/A-Moduls sind Einrichtungen vorgesehen zum Abschließen der Leiter, welche die Ein- und Ausgangssignale zwischen den E/A-Schaltungen und dem Prozeß transportieren.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines

programmierbaren Controllersystems, welches ein intelligentes Ein-/Ausgabe (E/A)-System nach der Erfindung enthält,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer

möglichen physikalischen Ausführungsform für einen einzelnen E/A-Modul und einen Handmonitor, die beide für die Verwendung in dem E/A-System nach Fig. 1 vorgesehen sind,

Fig. 3 ein Blockschaltbild, das ausführlicher

einen der E/A-Moduln nach Fig. 1 veranschaulicht,

Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild eines

Übertragungsabschnitts und eines Steuer- und Abfühlabschnitts für einen E/APunkt des in Fig. 3 gezeigten Typs,

die Fig. 5 und 6 Wellenformen, welche die Beziehung

zwischen gewissen Signalen veranschaulichen, welche für die Schaltungsanordnung nach Fig. 4 relevant sind.

die Fig. 7A, 7B und 7C Schaltbilder, welche verschiedene Ein-/

Ausgabe-Schaltkreise veranschaulichen, die bei der E/A-Schaltung nach Fig. 4 verwendbar sind, wobei Fig. 7A eine Gleichstromquellenschaltung, Fig. 7B eine Gleichstomsenkenschaltung und Fig. 7C eine Wechselstromschaltung zeigt,

Fig. 8 ein Schaltbild, welches ausführlich

einen Steuer- und Abfühlabschnitt für den E/A-Punkt nach Fig. 4 zeigt,

die Fig. 9A, 9B und 9C Schaltbilder, welche ausführlich einen

übertragungsabschnitt für den E/APunkt nach Fig. 4 veranschaulichen, und

Fig. 10 eine Wahrheit stäbe He, die Diagnose-

und Statusdaten zu einem 4-Bit-codierten Signal in Beziehung setzt, um die Verknüpfungslogik in einem Zustandscodierer für den Übertragungsabschnitt nach Fig. 4 zu schaffen.

Der programmierbare Controller nach Fig. 1 enthält eine Zentraleinheit (CPU) 20, einen Ein-/Ausgabe(E/A)-Controller 22, mehrere Ein-/Ausgabe-Moduln 24-26 und eine Datenübertragungsverbindung 28, welche jeden E/A-Modul 24-26 mit dem E/ A-Controller 22 verbindet. Diese Schaltungscomponenten, mit Ausnahme der CPU 20 ,bilden insgesamt das Ein-/Ausgabe-System des Controllers. Die CPU 20 hat im wesentlichen einen herkömmlichen Aufbau und kann einen oder mehrere Mikroprozessoren zur Datenhandhabung und Steuerung sowie einen Speicher enthalten zur Speicherung von Betriebsprogrammen, von Ein-/Ausgabe-Daten und von anderen berechneten, Interimsoder permanenten Daten für die Verwendung bei der Ausführung des gespeicherten Programms und für die Implementierung der Steuerung. Darüber hinaus sind weitere herkömmliche Elemente, wie beispielsweise Stromversorgungen, soweit notwendig vorgesehen, um die CPU 20 voll funktionstüchtig zu machen. Der E/A-Controller 22 besorgt die Steuerung von Information, welche zwischen den verschiedenen E/A-Moduln 24-26 und der CPU 20 ausgetauscht wird.

Jeder E/A-Modul 24-26 kann separat angeordnet werden, entfernt von der CHJ 20 und dem E/A-Controller 22 und in unmittelbarer Nähe des Prozesses, der gesteuert wird. Es sind zwar nur drei E/A-Moduln in Fig. 1 gezeigt, es ist jedoch klar, daß die tatsächliche Zahl beträchtlich größer sein kann. Beispielsweise können sechzehn separate E/A-Moduln ohne weiteres in dem im folgenden beschriebenen System enthalten sein. Jeder E/A-Modul ist von dem anderen unabhängig, und jeder kann dafür bestimmt sein, einen Prozeß zu steuern, der von dem getrennt ist, welcher durch sämtliche anderen E/A-Moduln gesteuert wird.

In Fig. 1 ist beispielshalber der N-te E/A-Modul 26 zum Steuern eines verallgemeinerten Prozesses 30 dargestellt. Die Eingangs- und Ausgangssignale, welche dem Prozeß 30 zugeordnet sind, werden durch Leiter 32 transportiert, welche zwischen dem Prozeß 30 und dem E/A-Modul 26 verlaufen. Der Prozeß 30 kann selbstverständlich praktisch jede Form haben. In jedem Fall beinhaltet er jedoch verschiedene Fühler, Schalter, usw. (hier nicht im einzelnen gezeigt) zum Abfühlen des Status und der Bedingung des Prozesses 30. Die Information aus dem Prozeß wird in Form von Eingangssignalen an den E/A-Modul 26 abgegeben. Der Prozeß 30 beinhaltet außerdem gesteuerte Elemente (z.B. Pumpen, Motoren, usw. ebenfalls nicht dargestellt), welche die Ausgangssignale aus dem E/A-Modul 26 empfangen und dadurch die Steuerung des Prozesses 30 bewirken. Auf ähnliche Weise sind die anderen E/A-Moduln 24, 25 jeweils mit Eingabe- und Ausgabevorrichtungen und -Anordnungen verbunden, welche dem Prozeß zugeordnet sind.

Die Datenübertragungsverbindung 28 ist vorzugsweise eine serielle Verbindung, obgleich eine parallele übertragung von Signalen zwischen der CPU 20 und den E/A-Moduln 24-26 ohne weiteres vorgesehen werden kann. In jedem Fall sind

die E/A-Moduln 24-26 für die Kommunikation mit der CPU 20 mit der Übertragungsverbindung 28 verbunden. Die Übertragungsverbindung 28 kann ein verdrilltes Leiterpaar, ein Koaxialkabel oder ein Lichtleitfaserkabel aufweisen, die alle in Abhängigkeit von Überlegungen hinsichtlich der Kosten und der Verfügbarkeit akzeptabel sind.

In Fig. 1 veranschaulicht der E/A-Modul 24 in Blockschaltbildform den allgemeinen elektronischen Gesamtaufbau jedes E/A-Moduls.

Es ist ein Mikrocontroller 36 vorgesehen, der ein Schnittstellentor zum Austauschen von Information mit der CPU 20 hat und einen zugeordneten Speicher (nicht dargestellt) zur Implementierung eines gespeicherten Betriebsprogramms enthält, gemäß welchem die verschiedenen Elemente der E/A-Moduln gesteuert und bezüglich auftretenden Fehlern diagnostiziert werden; mehrere einzelne E/A-Punkte (oder "E/A-Schaltungen") 37-39, von denen jeder wahlweise entweder als Eingabepunkt oder als Ausgabepunkt betrieben werden kann und einzeln über Leiter direkt mit Eingabe- oder Ausgabelementen des gesteuerten Prozesses in Verbindung steht; und einen Leiterbus 40 zum Verbinden der E/A-Punkte 37-39 mit dem Mikrocontroller 36. Die Anzahl der E/A-Punkte 37-39 in jedem besonderen E/A-Modul 24-26 hängt von praktischen Überlegungen ab, wie beispielsweise der Wärmeableitung und den Beschränkungen des MikroControllers 36. Beispielsweise hat es sich jedoch als ziemlich praktisch und zweckmäßig erwiesen, sechzehn E/A-Punkte pro E/A-Modul vorzusehen.

Zum überprüfen der Unversehrtheit und der Funktionstüchtigkeit der Eingabe- und Ausgabekomponenten sowie zur Wartung und Fehlersuche ist eine im folgenden als Monitor bezeichnete überwachungsvorrichtung 42 vorgesehen. Der Monitor 42 ist vorzugsweise so groß bemessen, daß er in der Hand gehalten werden kann, so daß er leicht und bequem von einem E/A-

Modul zum anderen bewegt werden kann. Er ist für den Anschluß an jeden E/A-Modul durch ein Kabel vorgesehen, das einen Verbinder aufweist, welcher mit einem weiteren Verbinder zusammenpaßt, der an dem E/A-Modul befestigt ist. Das Kabel und die zusammenpassenden Verbinder sind in Fig. 1 schematisch veranschaulicht, welche den Monitor 42 über ein Schnittstellentor des Mikrocontrollers 36 an den E/AModul 24 angeschlossen zeigt.

Wenn der Handmonitor 42 an einen E/A-Modul angeschlossen ist, gestattet er, die E/A-Punkte dieses Moduls zu überwachen und zu steuern, und liefert eine Anzeige der Diagnoseinformation, die zu dem Modul gehört. Vorteilhafterweise erfüllt der Handmonitor 42 diese Funktionen unabhängig von der Zentraleinheit 20 und sogar auch dann, wenn die CPU 20 nicht vorhanden ist. Der Monitor 42 bewirkt beispielsweise, daß Ausgangspunkte ein- und ausgeschaltet werden und der Zustand der Eingangspunkte abgelesen wird. Falls ein Fehler aufgetreten ist, kann der Monitor 42 außerdem eine Anzeige über die Art und den Ort des Fehlers liefern. Der Handmonitor 42 weist eine Datenanzeigetafel 44 auf, die alphanumerische Zeichen anzeigt, und einen Satz Tastschalter 46, welche zur Adreßprogrammierung und zum Bewirken des Betriebes der E/A-Moduln 24-26 dienen.

Fig. 2 zeigt bevorzugte körperliche Ausführungsformen für einen Handmonitor und einen einzelnen E/A-Modul. Der dargestellte E/A-Modul 51 hat im wesentlichen die Form eines Anschlußblockes, der eine Reihe von Leiterklemmen 53 zum Herstellen der Verbindung mit den Leitern aufweist, welche die Verbindung mit den Ein- und Ausgabevorrichtungen des gesteuerten Prozesses herstellen. Die Klemmen 53 können als Schraubverbindungen ausgeführt sein, bei denen die Schrauben gegen einen Verbindungsdraht oder eine Anschlußöse angezogen werden. Jede E/A-Schaltung ist einer entsprechenden Anschlußverbindung zugeordnet. Darüber hinaus sind Anschlüsse zugeordnet zum Anschließen einer äußeren Stromquelle

(Wechsel- oder Gleichstromquelle) und zum Herstellen der Verbindungen mit der Datenübertragungsverbindung, die in Fig. 1 gezeigt ist. Optische Anzeiger sind in Form von Leuchtdioden (LEDs) 55 vorgesehen, um den Status jedes E/APunktes anzuzeigen. Weitere Leuchtdioden 57 und 58 zeigen den Betriebsstatus des Moduls 51 an. Beispielsweise zeigt die Leuchtdiode 57 an, daß ein Fehlerzustand vorhanden ist (entweder innerhalb oder außerhalb des Moduls), und die Leuchtdiode 58 zeigt normale Betriebsbedingungen an. Eine Buchse 59 ist an dem Modul 51 vorgesehen, in die ein Kabelstecker 60 paßt, welcher über ein Kabel 61 die Verbindung mit einem Handmonitor 49 herstellt.

Der dargestellte Handmonitor 49 ist, wie oben und in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben, in der Lage, den E/A-Modul zu überprüfen, mit welchem er verbunden ist. Das heißt, der Handmonitor 49 gestattet, einen E/A-Modul zu betreiben und sorgfältig zu prüfen, selbst wenn dieser nicht mit einer Zentraleinheit, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, verbunden ist.

Das Blockschaltbild in Fig. 3 zeigt ausführlicher einen E/AModul 80 (im wesentlichen derselbe wie irgendeiner der Moduln 24-26 in Fig. 1). Der E/A-Modul 80 hat eine Gruppe von acht gesonderten E/A-Punkten 81-88, von denen jeder Steuer- und Diagnoseinformationssignale mit einem Mikrocontroller 90 austauscht. Elektrischer Strom, entweder Wechselstrom oder Gleichstrom, wird an Klemmen H¹ und N zugeführt. Die Stromquelle, die mit den Klemmen H¹ und N verbunden ist, liefert Strom sowohl an eine interne Gleichstromversorgung 94 als auch an externe Ausgangsbelastungen (z.B. gesteuerte Elemente), die durch den programmierbaren Controller gesteuert werden, von welchem der Modul 80 ein Teil ist. Die Stromversorgung 94 ist einfach die Gleichstromversorgung für sämtliche Elemente, die in dem E/A-Modul 80 enthalten sind und für ihren Betrieb Gleichstrom benötigen.

Jeder E/A-Punkt 81-88 ist mit dem Mikrocontroller 90 durch ein Leiterpaar 95-102 verbunden. Ein Leiter jedes LeiterpaareS/ der als D-Leitung bezeichnet ist, transportiert Steuerdaten zu dem zugeordneten E/A-Punkt; der andere Leiter, der als M-Leitung bezeichnet ist, transportiert Status- und Diagnoseinformation von dem E/A-Punkt zu dem Mikrocontroller 90. Jeder E/A-Punkt 81-88 ist außerdem so angeschlossen, daß er eine Gleichspannung (z.B. 15 Volt) von der Stromversorgung 94 empfängt, und jeder E/A-Punkt ist mit den Stromquellenklemmen H¹ und N verbunden. Wenn die externe Stromquelle, die mit den Klemmen H¹und N verbunden ist, ein 115- oder 230-Volt-Wechselstromnetz ist, bezeichnen die Klemmen H'und N lediglich die "heiße" Seite (Phase) bzw. die Nullseite des Netzes. Wenn jedoch die externe Stromquelle eine Gleichstromquelle ist, kann die Klemme H¹ die positive Seite der Quelle und die Klemme N die negative Seite der Quelle sein. Darüber hinaus hat jeder E/A-Modul 81-88 eine EIN/AüS-Klemme, die eine doppelte Funktion hat. Wenn der E/A-Punkt als ein Ausgabepunkt betrieben werden soll, ist die EIN/AUS-Klemme für diesen Punkt mit dem gesteuerten Element (oder der Last) in dem Prozeß verbunden, dem dieser Punkt zu Steuerung zugeordnet ist. Andererseits, wenn der E/A-Punkt als ein Eingang betrieben werden soll, empfängt die EIN/AUS-Leitung für diesen Punkt das Eingangssignal aus der Eingabevorrichtung. Dieselbe EIN/AüS-Leitung dient daher zwei Funktionen, und zwar in Abhängigkeit von dem Kommando aus dem Mikrocontroller 90 und dem zweiten (oder Referenz-) Anschluß der Eingabe-oder Ausgabevorrichtung. Als Beispiel ist der E/A-Punkt 82 als ein Ausgangspunkt arbeitend gezeigt, der den Strom an einer Lastvorrichtung 89 ein- oder ausschaltet. Die Last 89 ist zwischen die EIN/ AUS-Leitung des E/A-Punkts 82 und die N-Leitung an der Stromquelle geschaltet. Dagegen ist der E/A-Punkt 84 als ein Eingangspunkt arbeitend gezeigt, wobei eine Eingangsschaltvorrichtung 91 zwischen die EIN/AUS-Leitung und die H'-Leitung der Stromquelle geschaltet ist. Jeder E/A-Punkt 81-88

kann in der Ausgabebetriebsart entweder als eine Gleichstromquelle/ als eine Gleichstromsenke oder als eine Wechselstrcrnquelle betrieben werden, was zum Teil von der internen Schaltungsanordnung des E/A-Punktes abhängig ist. Dieser Aspekt der Schaltungsanordnung ist weiter unten ausführlicher erläutert.

Die Information, die dem Mikrocontroller 90 von jedem E/APunkt 81-88 über die M-Leitungsverbindung geliefert wird, enthält Daten, welche den Status des Laststroms (hoch oder niedrig), die Größe der von diesem E/A-Punkt aufgenommenen Leistung _t den Temperatur zustand des E/A-Punktes, den Status irgendeiner Eingabevorrichtung melden, und noch weitere Information, was alles im folgenden noch ausführlicher erläutert ist.

Die Steuerung jedes E/A-Punktes 81-88 wird schließlich durch eine Zentraleinheit bestimmt, wie sie in Verbindung mit Fig. 1 angegeben worden ist. In Fig. 3 erfolgt die Kommunikation mit einer solchen CPU über ein Schnittstellentor (vorzugsweise ein serielles Tor) des MikroControllers 90 und über eine Datenübertragungsverbindung 106 (in Fig. 1 die Datenübertragungsverbindung 28). Andere E/A-Moduln, die im wesentlichen dem Modul 80 nach Fig. 3 gleichen, können ebenfalls mit der Datenübertragungsverbindung 106 verbunden sein. Der Mikrocontroller 90 spricht zwar auf Kommandos der Zentraleinheit an, er sorgt jedoch auch für eine lokalisierte, nichtzentrale Steuerung jedes E/A-Punktes innerhalb des E/AModuls 80. Der Mikrocontroller 90 ist eine Betriebssteuereinheit und arbeitet gemäß einem gespeicherten Programm und in Abhängigkeit von Kommandos aus der Zentraleinheit und von Signalen, die er auf der Leitung M aus jedem E/A-Punkt 81-88 empfängt. Der Mikrocontroller 90 enthält außerdem, obgleich es in Fig. 3 nicht im einzelnen gezeigt ist, Speicher zur Programmspeicherung und zur Speicherung von anderen Daten, die zur Ausführung des Programms und für die beabsichtigte Steuerung notwendig sind.

Das vereinfachte Blockschaltbild in Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer E/A-Schaltung, und zwar ohne die Ausgangsschaltvorrichtung. Der E/A-Punkt enthält einen Übertragungsabschnitt 111 und einen Steuer- und Abfühlabschnitt 113. Der Übertragungsabschnitt 111, der zuerst erläutert wird, enthält einen Zeitgeber 117, ein Ausgangsdatenfilter 119, einen Ausgangsselektor 120, einen 2-Bit-Zähler 121, ein Halte-letzten-Zustand-Flipflop 123, ein Fehlwert (default)-Flipflop 124, einen Zustandscodierer 125, ein Zustandsflipflop 127 und einen Datenselektor 129.

Der Übertragungsabschnitt 111 empfängt auf einer Leitung D ein Signal SIG aus der Betriebssteuereinheit (z.B. dem Mikrocontroller 90 nach Fig. 3) und einen Satz von Zustandsangabe- oder Diagnosesignalen auf einem 6-Leiter-Bus 115. Der Übertragungsabschnitt 111 erzeugt ein EIN/AUS-Befehlssignal für den Steuer- und Abfühlabschnitt 113 und sendet ein Diagnosesignal (ZUSTAND) auf einer Leitung M zu dem Mikrocontroller 90. Das EIN/AüS-Befehlssignal steuert schließlich eine Schaltvorrichtung (vorzugsweise ein IG-Transistor oder IGT, der weiter unten erläutert ist), deren Betätigung davon abhängig ist, ob der E/A-Punkt als Eingang oder als Ausgang dienen soll. Die Fig. 5 und 6 veranschaulichen die Beziehung zwischen gewissen Signalen, die am Betrieb des Übertragungsabschnitts 111 beteiligt sind und im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert werden.

Das Steuersignal SIG ist eine codierte Impulsfolge, die Ein/ Aus-Information, Halte-letzten-Zustand (hold last state oder HLS)-Information, Fehlwertzustand (DEF)-Information und Zeitsteuerinformation enthält. Sie besteht aus einer Reihe von "Rahmen" von denen jeder entweder zwei oder vier Impulse enthält, welchen das Weglassen eines Impulses folgt, d.h. ein "fehlender Impuls". Der "fehlende Impuls" dient zum Resynchronisieren des Betriebes des Übertragungsabschnitts 111. Von den zwei oder vier Impulsen hat jeder ein Tastverhältnis von entweder 25 % oder 75 %. Die Zeit T zwischen

Impulsen innerhalb eines Rahmens ist fest und außerdem gleich der Zeitdauer des "fehlenden Impulses". Das Steuersignal SIG wird zuerst an den Zeitgeber 117 angelegt, und seine ansteigende Flanke bewirkt, daß der Zeitgeber 117 rückgesetzt wird und seinen Zeitsteuerzyklus einleitet. Der Zeitgeber 117 gibt daher eine ansteigende Flanke des Taktsignals CLK ungefähr 0,5T nach jeder ansteigenden Flanke des Steuersignals SIG ab. Das Taktsignal CLK wird zum Takten des 2-Bit-Zählers 121, des Ausgangsdatenfilters und der Flipflops 123 und 124 benutzt. Der Zeitgeber 117 gibt auch, sofern er nicht zuerst rückgesetzt wird, eine ansteigende Flanke des Synchronisxersxgnals SYNC ungefähr 1,5T nach einer ansteigenden Flanke von SIG und eine abfallende Flanke des Signals LOS eine beträchtlich längere Zeit nach einer ansteigenden Flanke von SIG ab (z.B. 2,5T). Normalerweise treten die ansteigenden Flanken von SIG in Intervallen von T auf, so daß der Zeitgeber 117 rückgesetzt wird, bevor die SYNC- oder LOS-übergänge auftreten können. Bei dem Auftreten eines "fehlenden Impulses" (Synchronisierintervall) tritt jedoch eine Zeit 2T zwischen den ansteigenden Flanken von SIG auf, was bewirkt, daß SYNC für ungefähr 0,5T auf H (hohen Pegel) geht. Der Impuls SYNC setzt den Übertragungsabschnitt 111 zurück und signalisiert so, daß ein neuer Rahmen beginnt. Wenn eine Zeitspanne von mehr als 2,5T zwischen ansteigenden Flanken von SIG auftritt, geht LOS auf L (niedrigen Pegel), was dem Übertragungsabschnitt 111 signalisiert, daß ein Signalverlust aufgetreten ist.

Die Ein/Aus-Information, die auf der Leitung D zu dem E/APunkt geht, ist in den ersten beiden Impulsen jedes Rahmens des Steuersignals enthalten. Ein Impuls mit einem Tastverhältnis von 75 % entspricht einer logischen "1" (einschalten) , und ein Impuls mit einem Tastverhältnis von 25 % entspricht einer logischen "0" (ausschalten). Wie deutlich werden wird, bewirkt der Taktimpuls, der bei 0,5T nach der

ansteigenden Flanke eines SIG-Impulses auftritt, eine Abtastung des SIG-Impulses zu dieser Zeit. Wenn ein Impuls mit 25 % Tastverhältnis (0,25T) gesendet worden ist, wird daher ein niedriger Pegel (L-Zustand) oder "Null" bei 0,5T erzielt. Dagegen wird, wenn ein Impuls mit einem Tastverhältnis von 75 % (0,75T) gesendet worden ist, ein hoher Pegel (Η-Zustand) oder eine "Eins" bei 0,5T erzielt. Die ersten beiden Impulse werden außerdem redundant gesendet, d.h., die ersten beiden Impulse müssen übereinstimmen (beide 1 oder beide 0), damit der Übertragungsabschnitt 111 auf das Ein/Aus-Befehlssignal anspricht. Für diese Zwecke wird das Steuersignal SIG an das Ausgangsdatenfilter 119 angelegt, welches die ersten beiden Impulse des Steuersignals effektiv abtastet und vergleicht. Wenn die beiden Impulse verschieden sind (beispielsweise aufgrund von Rauschen), hält das Ausgangsdatenfilter 119 das letzte gültige Ein/Aus-Kommando, das empfangen wurde, aufrecht.

Wenn ein Rahmen des Steuersignals vier statt zwei Impulse enthält, dann werden der dritte und der vierte Impuls benutzt, um das Halte-letzten-Zustand-Flipflop 123 bzw. das Fehlwertflipflop 125 auf den neuesten Stand zu bringen. Die Inhalte der Flipflops 123 und 124 werden nur geändert, wenn der dritte und der vierte Impuls empfangen werden. Eine logische Eins in der Position des dritten Impulses setzt das Halte-letzten-Zustand-Signal HLS auf H, und eine logische Null in der Position des dritten Impulses bewirkt, das das Signal HLS auf L geht. Das Signal HLS erscheint an dem Ausgang des HLS-Flipflops 123 und wird an den Ausgangsselektor 120 und an den Zustandscodierer 125 abgegeben. Ebenso setzt ein vierter Impuls das Fehlwertsignal DEF auf H oder L (hoch, H = Ein; niedrig, L = Aus). Das Fehlwertsignal DEF und sein Komplement DEF erscheinen als Ausgangssignale des Fehlwertflipflops 124. Das Fehlwertsignal DEF wird an den Zustandscodierer 125 abgegeben, und sein Komplement DEF wird an den Ausgangselektor 120 abgegeben. Im Falle eines Verlustes von Übertragungen aus dem Mikrocontroller (d.h. ein Verlust des

Steuersignals, der bewirkt, daß LOS in den L-Zustand geht), veranlaßt das Signal HLS den Ausgangsselektor 120, entweder den vorherigen Ein/Aus-Zustand zu halten oder den Fehlwertzustand anzunehmen. Wenn HLS eine logische Eins ist, dann wird der vorherige Zustand aufrechterhalten; wenn HLS gleich logisch Null ist, wird der Fehlwertzustand angenommen, sobald LOS auf L geht. Der Vorteil dieser Operation liegt auf der Hand: im Falle eines Verlustes an Übertragungen zwischen dem E/A-Punkt und der steuernden Vorrichtung (d.h. dem Mikrocontroller nach den Fig. 1 und 3) wird der Ein/Aus-Zustand zwangsweise in einen vorgewählten, bevorzugten Zustand gebracht.

Der 2-Bit-Zähler 121 zählt die Impulse CLK, um einen Ausgangszählwert SO und S1 zu liefern, der Binärwerte zwischen null und drei annimmt. Dieser Zählwert zeigt an, welcher Impuls in einem Rahmen gerade empfangen und (als SO und S1) an das Ausgangsdatenfilter 119, das Halte-letzten-Zustand-Flipflop 123, das Fehlwertflipflop 124 und den Datenselektor 129 abgegeben wird, so daß jede Schaltung nur auf die geeigneten Impulse eines Rahmens anspricht.

Die Wellenformen in Fig. 5 veranschaulichen die Signalbeziehungen SIG, CLK, SYNC, LOS und das Ein/Aus-Signal für verschiedene Bedingungen. Bei dem ersten Rahmen (die Rahmen werden zur Erleichterung der Bezugnahme willkürlich mit Rahmennummern bezeichnet) werden redundante 25%-Tastverhältnis-Impulse gesendet, was einem "0"- oder einem Ausschalten-Zustand entspricht. Taktimpulse werden bei 0,5T nach jeder ansteigenden Flanke eines SIG-Impulses erzeugt. Anschließend an die beiden redundanten Impulse gibt es ein Synchronisierintervall oder "fehlenden Impuls". Der fehlende Impuls bewirkt, daß ein SYNC-Impuls erzeugt wird, welcher das Ende eines Rahmens bedeutet. Da die beiden SIG-Impulse beide ein Tastverhältnis von 25 % haben, bleibt der Ein/Aus-Wert im L-Zustand und der LOS-Wert im H-Zustand.

ORIGINAL INSPECTED

Bei dem zweiten Rahmen hat der erste SIG-Impuls ein Tastverhältnis von 25 % und der zweite Impuls ein Tastverhältnis von 75 %. Der Mangel an Identität kann beispielsweise auf Rauschen zurückzuführen sein. In diesem Fall werden wieder die CLK- und SYNC-Impulse wie in dem ersten Rahmen erzeugt, und LOS bleibt auf H. Da die SIG-Impulse verschieden sind, hält jedoch das Ein/Aus-Signal seinen vorherigen Wert, der in diesem Fall ein L-Wert ist. In dem dritten Rahmen haben die SIG-Impulse beide ein Tastverhältnis, d.h. eine Einschaltdauer von 75 %, was signalisiert, daß das Ein/Aus-Schaltsignal auf den EIN-Wert erhöht werden sollte. Das erfolgt an der ansteigenden Flanke des Taktimpulses, der dem zweiten SIG-Impuls folgt. Bei dem vierten Rahmen geht die Impulsidentität zwischen den Steuerimpulsen verloren, und deshalb bleibt die Ein/Aus-Leitung auf H. Der fünfte Rahmen bringt die Ein/Aus-Leitung bei dem Auftreten von redundanten Impulsen, die beide ein Tastverhältnis von 25 % haben, auf einen niedrigen Pegel zurück. Der sechste Rahmen von SIG-Impulsen enthält vier 75%-Tastverhältnis-Impulse. Der sechste Rahmen ist in der zeitlichen Dauer etwas langer, um die vier Impulse und den "fehlenden Impuls" aufnehmen zu können. Der erste und der zweite SIG-Impuls bringen das Ein/Aus-Signal wieder auf H. Obgleich nicht dargestellt sei angegeben, daß der dritte Impuls des Rahmens bewirkt, daß HLS gleichzeitig mit der ansteigenden Flanke des sich ergebenden Taktimpulses auf H geht, und daß der vierte Impuls des Rahmens bewirkt, daß DEF auf H geht.

Das Steuersignal SIG liefert nicht nur die Ein/Aus-, Fehlwert- und Halte-letzten-Zustand-Information, sondern bewirkt auch die Zeitsteuerung für das Zurückleiten von Status- oder Diagnosedaten zu dem Mikrocontroller. Der Zustandscodxerer 125 empfängt als EingangsSignaIe sechs Schalterzustände auf dem 6-Leiter-Bus 115 aus dem Steuer- und Abfühlabschnitt 113 zusammen mit den EIN/AUS-, DEF- und HLS-Bits. Der Zustandscodxerer 125 verknüpft diese Eingangssig-

nale und bildet eine 4-Bit-codierte Statusnachricht, die an das Zustandsflipflop 127 angelegt wird. Der Datenselektor 129 ist ein 1 -aus-4-Selektor/ der die vier Datenbits aus dem Zustandsflipflop 127 empfängt und dann diese 4-Bit-Zustands-Information über die Leitung M sequentiell zu dem Mikrocontroller sendet. Der Ausgang des 2-Bit-Zählers 121 zeigt den Zählwert der SIG-Impulse an und steuert den Datenselektor 129 so, daß dieser für jeden empfangenen SIG-Impuls ein Bit aussendet. Die vier Bits sind so codiert, daß das erste Bit (XO) anzeigt, ob ein Fehlerzustand vorhanden ist oder nicht, und daß das zweite Bit (X1) anzeigt, ob eine Spannung an der Ausgangslast erscheint oder nicht. Wenn ein Fehler auftritt (XO = 0), zeigen das dritte und das vierte Bit (X2 und X3) die Art des Fehlers an. Wenn kein Fehler aufgetreten ist (XO = 1), dann zeigt das dritte Bit den Halteletzten-Zustand-Wert an, und das vierte Bit zeigt den Fehlwert-Wert an.

Der Mikrocontroller 90 (Fig. 3) bestimmt, wieviel Information aus dem Übertragungsabschnitt 111 durch die Zahl von Impulsen pro Rahmen zu empfangen ist, die in dem Steuersignal SIG enthalten sind, welches zu dem Übertragungsabschnitt 111 gesendet wird. Der Mikrocontroller liest das Zustandssignal auf der Leitung M sofort nachdem er eine ansteigende Flanke von SIG auf die Leitung D gebracht hat. Daher sind die Anzahl der Impulse pro Rahmen in dem Steuersignal und die Anzahl von Statusbits, die pro Rahmen zurückgelesen werden, dieselben. Normalerweise gibt der Mikrocontroller zwei Impulse pro Rahmen ab und liest XO und X1 zurück. Wenn XO einen Fehler anzeigt, schaltet der Mikrocontroller auf vier Impulse pro Rahmen, so daß er eine Fehlernachricht lesen kann, die in den X2- und X3-Bits enthalten ist. Bei Nichtvorhandensein eines Fehlers kann die 4-Impuls-Betriebsart ebenfalls benutzt werden, um an dem HLS-Flipflop 123 und dem Fehlwertflipflop 124 zu lesen und zu schreiben. In diesem Fall werden durch den dritten und den vierten Impuls von

SIG das HLS-Flipflop 123 bzw. das Fehlwertflipflop 124 gesetzt oder rückgesetzt, und X2 und X3 des Zustandssignals zeigen den Status dieser beiden Flipflops an.

Der Steuer- und Abfühlabschnitt 113 in Fig. 4 enthält eine Schaltlogikschaltungsanordnung 133, eine Komparatorschaltungsanordnung 135 und eine Gate- oder Steuerelektrodentreiberschaltung 137. Die Schaltlogikschaltungsanordnung 133 empfängt das Ein/Aus-Signal, welches durch den Übertragungsabschnitt 111 erzeugt wird, und gibt, in Abhängigkeit von dem Status von anderen Eingangssignalen, ein entsprechendes Gate- oder Steuerelektrodensignal über die Gateoder Steuerelektrodentreiberschaltung 137 an die Gate- oder Steuerelektrodenklemme einer Leistungsschaltvorrichtung ab. Die Leistungsschaltvorrichtung ist vorzugsweise ein IG-Transistor, was weiter unten ausführlicher beschrieben ist.

Unter den anderen Signalen, die an die Schaltlogikschaltungsanordnung 133 angelegt werden, sind Signale, welche den Stromversorgungsspannungswert und die Temperatur der Leistungsschaltvorrichtung angeben. Signale , welche die Netz- oder Leitungs- und Lastspannung und den Laststrom angeben, werden als Eingangssignale an die Komparatorschaltungsanordnung angelegt. Die Komparatorschaltungsanordnung 135 erzeugt einen Satz von Signalen, der den Wert des Laststroms mit Bezug auf einen vorgewählten unteren Grenzwert, einen Zwischengrenzwert und einen hohen Grenzwert angibt. Die Komparatorschaltungsanordnung 135 liefert außerdem ein Signal, das den Wert der Lastspannung mit Bezug auf den ■Netzspannungswert angibt, und, bei Wechselstrom, ein Signal, das den Wechselstromnulldurchgang angibt. Alle diese Signale werden als Eingangssignale an die Schaltlogikschaltungsanordnung 133 über einen 5-Leiter-Bit 136 angelegt. Ein weiterer Eingang an derSchaltlogikschaltungsanordnung 133, der mit -/- bezeichnet ist, ist zum Vorwählen entweder des Wechselstrombetriebes oder des Gleichstrombetriebes vorgesehen.

Die Schaltlogikschaltungsanordnung 133 liefert den Satz von Diagnosesignalen/ der dem Zustandscodierer 125 über den 6-Leiter-Bus 115 zugeführt wird. Dieser Diagnosesignalsatz wird aus den Spannungs- und Stromwertsignalen gewonnen, welche die Komparatorschaltungsanordnung 135 liefert, und aus den Temperatur- und Versorgungsspannungssignalen. Die sechs DiagnosesignaIe werden benutzt, um beispielsweise folgendes anzuzeigen: 1) daß es eine offene oder abgetrennte Last gibt; 2) daß die Last einen ersten hohen Grenzwert übersteigt, so daß eine sofortige Schutzmaßnahme eingeleitet werden muß; 3) daß ein Laststrom über einem zweiten hohen Grenzwert ist, was eine Schutzmaßnahme nur verlangt, wenn der Strom für eine gewisse vorgewählte Zeitspanne über dem Grenzwert bleibt; 4) daß die Lastspannung angelegt worden ist oder nicht; 5) den Relativwert der Versorgungsspannung; und 6) die relative Temperatur der Leistungsschaltvorrichtung .

Verschiedene Ein-ZAusgabe-Schaltkreise können durch das Gate-Signal aus dem Steuer- und Abfühlabschnitt 113 gesteuert werden. Beispielsweise können Schalteinrichtungen, die Feldeffekttransistoren oder Thyristoren enthalten, als Ein-/ Ausgabe-Schaltkreise benutzt werden. Ein bevorzugter Schaltkreis wird in jedem Fall einen Nebenschlußstrompfad aufweisen, der eine Einrichtung hat zum Liefern eines Signals, welches den zu einer angeschlossenen Last fließenden Strom anzeigt. Am bevorzugtesten ist es jedoch, bei den Schaltkreisen von einem IG-Transistor oder IGT Gebrauch zu machen.

Der IGT ist allgemein eine Leistungshalbleitervorrichtung, die über ihre Gate- oder Steuerelektrode in den durchgesteuerten und in den Sperrzustand gebracht werden kann. Das heißt, der IGT kann über seine Gate- oder Steuerelektrodenklemme sowohl ein- als auch ausgeschaltet werden. Einige Versionen des IGT enthalten einen Stromemulationsabschnitt, welches ein Abschnitt des IGT ist, der dafür vorgesehen ist, einen proportionalen Anteil des gesamten IGT-Stroms

zu führen. Der Emulationsabschnitt hat den Vorteil, daß er benutzt werden kann, um den Gesamtstrom zu überwachen, ohne daß auf eine große Verlustleistung aufweisende Nebenschlußwiderstände zum Messen des Stroms zurückgegriffen zu werden braucht. Ein einzelnes Gatesignal steuert den Stromfluß sowohl in dem Hauptabschnitt eines IGT als auch in dessen Emulationsabschnitt. Der IG-Transistor ist in einem Aufsatz (obgleich unter einer anderen Bezeichnung) von B.J. BaIiga et al. mit dem Titel "The Insulated Gate Rectifier (IGR): A New Power Switching Device", IEDM 82 (Dezember 1982), S. 264-267, beschrieben. Ein IGT, der einen Emulationsabschnitt hat, bildet den Gegenstand einer weiteren deutschen Patentanmeldung, für die die Priorität der US-Patenanmeldung., Serial No. 529 240, in Anspruch genommen worden ist. Die Fig. 7A-7C zeigen verschiedene Ein-VAusgabe-Schaltkreise unter Verwendung von IGTs, welche in dem hier beschriebenen E/A-System benutzt werden können.

Bei der Gleichstromguellenschaltung nach Fig. 7A wird das Gatesignal an den Gateanschluß 140 eines P-Kanal-IGT 141 angelegt, der einen Emitter 142 für einen Hauptstromabschnitt und einen Emitter 143 für einen Emulationsstromabschnitt hat. Die positive Seite der Gleichstromquelle ist direkt mit dem Hauptemitter 142 und über einen Bürde-Widerstand 145 mit dem Emitter 143 des Emulationsabschnitts verbunden. Der Kollektor der IGT-Vorrichtung ist extern mit einem Ende der Parallelschaltung aus einer Freilaufdiode 147 und einem Vorbelastungswiderstand 148 verbunden. Das entgegengesetzte Ende der Schaltung aus der Diode 147 und dem Vorbelastungswiderstand 148 ist zu der negativen Seite der Gleichstromquelle zurückgeführt. Die Verbindungsstelle zwischen dem IGT 141 und der aus der Freilaufdiode 147 und dem Vorbelastungswiderstand 148 bestehenden Schaltung bildet die EIN-/ AUSGANG-Klemme 149. Obgleich im tatsächlichen Gebrauch eine Eingabevorrichtung und eine Last nicht gleichzeitig angeschlossen sein würden, ist eine Last 150 zwischen der EIN-/

AUSGANG-Klemme 149 und der Last (d.h. Ausgangs) -Rückführklemme 152 dargestellt, und eine Eingabevorrichtung 153 ist zwischen der EIN-/AUSGANG-Klemme 149 und der Eingangsrückführklemme 155 dargestellt. Die Rückführklemmen 155 und sind mit der positiven bzw. negativen Leitung der Gleichstromquelle elektrisch verbunden. Der Vorbelastungswiderstand 148 hat einen relativ hohen ohmschen Wert, und der Bürde-Widerstand 145 hat einen relativ niedrigen ohmschen Wert, was auch für die entsprechenden Vorbelastungs- und Bürde-Widerstände gilt, die in den Schaltungen nach den Fig. 7B und 7C benutzt werden. Beispielsweise kann bei einer 120-Volt-Quelle der Vorbelastungswiderstand 148 einen Wert in der Größenordnung von 20 Kiloohm und der Bürde-Widerstand 145 einen Widerstandswert in der Größenordnung von 10 Ohm haben.

Wenn die Schaltung nach Fig. 7A als Ausgabeschaltung betrieben wird, wird der Laststrom gesteuert, indem der IGT 141 zu geeigneten Zeiten ein- und ausgeschaltet wird. Der Laststrom fließt von der Stromquelle über den IGT 141 und durch die Last 150 und zurück zu der Quelle. Die Laststromüberwachung wird durch den IGT-Emulationsabschnitt erleichtert, welcher ein den Laststrom angebendes Signal an dem Verbindungspunkt zwischen dem Bürde-Widerstand 145 und dem Emitter 143 abgibt. Ein Lastspannungssignal, welches bestätigt, daß die Lastspannung tatsächlich anliegt, wird an dem Verbindungspunkt zwischen dem Vorbelastungswiderstand 148 und dem Kollektor des IGT 141 abgenommen. Ein Netzspannungssignal wird an dem entgegengesetzten Ende des Vorbelastungswiderstands 148 abgenommen. Die Freilaufdiode 147 ist als Nebenschluß für umgekehrte Ströme aus induktiven Belastungen vorgesehen.

Wenn die Schaltung nach Fig. 7A als Eingabeschaltung betrieben wird, wird der IGT in einem Aus-Zustand gehalten. Der Zustand der Eingabevorrichtung 153 (offen oder geschlossen) wird dann erfaßt, indem die Spannung überwacht wird, welche an dem Vorbelastungswiderstand 148 abfällt. Dieses

Statussignal wird über die Lastspannungsleitung überwacht.

Die Gleichstromsehken-Ein/Ausgabe-Schaltungsanordnung nach Fig. 7B enthält dieselben Schaltungselemente wie die Gleichstromquellenschaltungsanordnung nach Fig. 7A, aber mit etwas anderem Schaltungsaufbau. Wenn diese Schaltungsanordnung als Ausgabeschaltungsanordnung betrieben wird, ist die Last 157 zwischen der EIN-/AUSGANG-Klemme 158 und der Lastrückführklemme 159 angeschlossen. Der IGT 161 wird ein- oder ausgeschaltet, um den Laststrom zu steuern. Bemerkenswert ist jedoch die Tatsache, daß der IGT 161 ein N-Kanal-IGT ist. Der Kollektoranschluß ist mit einem Ende der Parallelschaltung aus einer Freilaufdiode 165 und einem Vorbelastungswiderstand 167 verbunden. Diese Parallelschaltung liegt parallel zu den Klemmen 159 und 158, an die die Last 157 angeschlossen ist. Ein Bürde-Widerstand 168 ist in Reihe zwischen den Emulationsabschnittsemitter und die negative Seite der Gleichstromquelle geschaltet. Der Hauptabschnittsemitter ist direkt mit der negativen Seite der Gleichstromquelle verbunden. Ein IGT-Stromsignal, welches den Laststrom angibt, wird an der Verbindungsstelle des Bürde-Widerstands 168 und des Emulationsabschnittsemitters 163 abgenommen. Das Lastspannungssignal wird an der EIN-/AUSGANG-Klemme 158 abgenommen, und das Speisespannungssignal wird an der positiven Seite der Gleichstromquelle abgenommen, die außerdem mit der Eingangsrückführklemme 160 verbunden ist. Wie bei der Gleichstromquellenschaltungsanordnung, die oben erläutert ist, wird, wenn die Ein-/Ausgabe-Schaltungsanordnung als Eingabeschaltungsanordnung benutzt wird, der IGT 161 ausgeschaltet gehalten, und der Zustand der Eingabevorrichtung 170 wird durch die Spannung abgefühlt, die an dem Vorbelastungswiderstand 167 abfällt. Dieses Statussignal wird über die Lastspannungsleitung übertragen.

In Fig. 7C, die eine Wechselstrom-Ein-/Ausgabe-Schaltung zeigt, werden parallele P- und N-Kanal-IGTs 175 bzw. 176

3λ

benutzt. Das IGT-Gatesignal wird an eine Gatesteuerschaltung 178 angelegt/ die zwei gleichzeitige GateSteuersignale (entgegengesetzter Polarität) zum Steuern (d.h. zum Ein- und Ausschalten) der IGTs 175 und 176 liefert. Der Emulationsabschnitt des IGT 175 ist mit einem in Reihe geschalteten Bürde-Widerstand 180 -versehen, und der Emulationsabschnitt des IGT 176 ist mit einem in Reihe geschalteten "Bürde-Widerstand 181 versehen. Ein IGT-Stromsignal, welches den Laststrom in den IGTs angibt, wird erzeugt, indem die Signale, die an den beiden Bürde-Widerständen 180 und 181 gebildet werden, in einem Differenzkomparator 183 miteinander verglichen werden. Ein StoßSpannungsunterdrücker 185 ist zu dem Hauptabschnitt der IGTs parallel und zwischen die EIN-/AUSGANG-Klemme 186 und die Rückführklemme 187 der Eingabevorrichtung 192 geschaltet. Die Klemme 187 ist außerdem mit einer Seite des Wechselstromnetzes elektrisch verbunden. Ein Vorbelastungswiderstand 189 ist zwischen die EIN-/AUSGANG-Klemme 186 und die Lastrückführklemme 190 geschaltet. Die letztgenannte Klemme 190 ist mit der anderen Seite des Wechselstromnetzes verbunden.

Wenn die Schaltungsanordnung nach Fig. 7C als eine Ausgabeschaltungsanordnung betrieben wird, befiehlt die Gatesteuerschal tungsanordnung 178 auf ein IGT-Gatesignal hin den IGTs 175 und 176, gleichzeitig in den Ein- oder in den Aus-Zustand zu gehen und dadurch den Laststrom ein- oder auszuschalten. Die Last 191 ist zwischen die EIN-/AUSGANG-Klemme

186 und die Lastrückführklemme 190 geschaltet. Bei dem Betrieb als Eingabeschaltungsanordnung ist die Last 191 nicht angeschlossen, sondern die Eingabeschaltvorrichtung 192 ist zwischen die EIN-/AUSGANG-Klemme 186 und die Rückführklemme

187 geschaltet. Die IGTs 175 und 176 werden in dem Aus-Zustand gehalten, und der Zustand (d.h. der Status) der Eingabeschal tvorrichtung 192 wird durch das Vorhandensein oder NichtVorhandensein einer Spannung an der Lastspannungsleitung bestimmt, wobei das Vorhandensein einer Spannung einen geschlossenen Eingabeschalter anzeigt.

Gemäß Fig. 8, die den Steuer- und Abfühlabschnitt ausführlicher zeigt, wird das EIN/AUS-Signal aus dem Übertragungsabschnitt an einen Eingang eines NAND-Gatters 195, an einen Inverter 196 und an die Rücksetzeingänge von Flipflops 198 und 199 angelegt. Der andere Eingang des NAND-Gatters 195 empfängt das Ausgangssignal eines NAND-Gatters 201. Der erste Eingang des NAND-Gatters 201 empfängt ein Signal, das entweder im H- oder im L-Zustand ist, je nach dem, ob die Ausgabeschaltung als Wechselstrom- oder als Gleichstromausgabeschaltung betrieben werden soll. Dieses Signal kann durch einen Schalter oder einen Schaltdraht geliefert werden, welcher die Wechselstrom/Gleichstrom-Wählleitung geeignet mit einem hohen oder niedrigen Referenzwert verbindet. Der andere Eingang des NAND-Gatters 201 empfängt ein Signal aus einem Nulldurchgangsdetektor 202 über einen Inverter 201a, um diejenigen Fälle anzuzeigen, in denen die Wechselstromnetzspannung (für Wechselstromausgabeschaltungen) innerhalb eines gewissen Nullspannungsbereiches ist. Daher läßt in dem Fall einer Wechselstromausgabe das NAND-Gatter 195 das EIN/ AUS-Signal nur während eines Nulldurchgangs der Wechselstromnetzspannung durch. Der Nulldurchgangsdetektor 202 kann irgendeine von mehreren herkömmlichen Schaltungen sein, die ein Signal liefert, welches anzeigt, daß das Wechselstromeingangssignal innerhalb eines gewissen Bereiches eines Nulldurchgangs ist. Bei einer Gleichstromausgabe gestattet der Zustand des NAND-Gatters 201 dem EIN/AUS-Signal, das NAND-Gatter 195 zu passieren. Das EIN/AUS-Signal aus dem NAND-Gatter 195 wird an den Setzeingang eines Flipflops 203 angelegt. Das Q-Ausgangssignal des Flipflops 203 wird als eines von drei EingangsSignalen an ein UND-Gatter 205 angelegt, dessen Ausgangssignal das IGT-Gatesignal bildet.

Die anderen beiden Eingänge an dem UND-Gatter 205 werden durch die Q-Ausgänge des Flipflops 198 und 199 geliefert. Die Flipflops 198 und 199 werden beide rückgesetzt, wenn das EIN/AUS-Signal in den Aus-Zustand geht. Das Flipflop 198

empfängt ein Setzsignal aus einem Komparator 207 immer dann, wenn der IGT-Strom einen vorgewählten Wert übersteigt. Daher wird ein Signal, das den IGT-Strom angibt, an den invertierenden Eingang des Komparators 207 angelegt, während eine Referenzspannung, die einen übergroßen Wert des IGT-Stroms angibt, an dessen nichtinvertierenden Eingang angelegt wird. Die Referenzspannung kann beispielsweise einen Wert haben, der einem Strom von 30 A entspricht. Ebenso empfängt das Flipflop 199 ein Signal an seiner Setzklemme aus einer Stromversorgungsüberwachungsschaltung 209. Die Stromversorgungsüberwachungsschaltung 209 kann irgendeine bekannte Einrichtung sein, die ein Signal liefert, welches anzeigt, ob die Gleichstromversorgungsspannung oberhalb oder unterhalb eines vorgewählten Wertes ist. Im Betrieb wird deshalb eine niedrige Versorgungsspannung oder ein übermäßig hoher IGT-Strom das UND-Gatter 205 sperren. Das zwingt den IGT (der mit dem Ausgang des UND-Gatters 205 verbunden ist) in einen Auszustand zu gehen, in welchem er bleibt, bis der Fehlerzustand beseitigt ist.

Das Q-Ausgangssignal des Flipfiops 1 98 dient als überstromabschaltsignal und ist eines der sechs Schalterzustandssignale, die über den 6-Leiter-Bus 115 (Fig. 4) geliefert werden. Das Q-Ausgangssignal des Flipflops 199 geht nicht nur zu dem UND-Gatter 205, sondern wird auch als ein Eingangssignal an ein Logikgatter 210 angelegt. Das Signal aus der Stromversorgungsüberwachungsschaltung 209 wird an den anderen Eingang des Logikgatters 210 angelegt, so daß dessen Ausgangssignal den Status der Gleichstromversorgung anzeigt. Dieses Ausgangssignal ist ebenfalls eines der sechs Schalterzustandssignale.

Das Flipflop 203 empfängt ein Rücksetzsignal von dem Ausgang eines NAND-Gatters 212. Von den beiden Eingangssignalen des NAND-Gatters 212 ist das erste das invertierte EIN/AUS-Signal aus dem Inverter 196 und das zweite stammt aus dem NAND-Gatter 213. Das Gleichstrom/Wechselstrom-Wahl-Signal

SH - » -

wird an einen Eingang des NAND-Gatters 213 angelegt, und das Ausgangssignal eines Komparators 214 wird über einen Inverter 201b als das andere Eingangssignal angelegt. Der Komparator 214 ist ein überwachungskomparator für den IGT-Stroni/ wobei das IGT-Stromsignal an seinem invertierenden Eingang anliegt. Eine Referenzspannung, die einem relativ niedrigen, minimalen IGT-Stromwert entspricht (z.B. 0,05 A), wird an den nichtinvertierenden Eingang des Komparators 214 angelegt. Diese Kombination, welche das NAND-Gatter 212, den Inverter 196, das NAND-Gatter 213 und den Komparator 214 enthält, verhindert über das Flipflop 203, daß der IGT geschaltet wird (in einer Wechselstrombetriebsart), sofern nicht der IGT-Laststrom kleiner als der Referenzwert ist.

Das IGT-Stromsignal wird außerdem an den nichtinvertierenden Eingang eines Komparators 215 angelegt, in welchem es mit einem Zwischenreferenzstromwert verglichen wird. Der Zwischenreferenzstromwert (z.B. entsprechend 2 A) wird an den invertierenden Eingang des Komparators 215 angelegt. Mit dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 215 ist jedoch außerdem eine Zeitverzögerungsschaltung verbunden, die einen Widerstand 216 und einen Kondensator 220 enthält. Die Kombination aus dem Widerstand 216 und dem Kondensator 220 bewirkt, daß die Spannung an dem nichtinvertierenden Eingang des Komparators 215 in bezug auf den IGT-Strom verzögert wird. Nur dann, wenn der IGT-Strom den Referenzwert für eine längere Zeitspanne übersteigt, wird deshalb der Ausgang des Komparators 215 beeinflußt. Wenn der überstrom lediglich von kurzer Dauer ist, erfolgt keine Zustandsänderung des Komparators 215. Sowohl das Ausgangssignal des Komparators 215 als auch das Ausgangssignal des Komparators 214 werden als Schalterzustandssignale geliefert. Diese Signale dienen als Diagnosesignale und zeigen an, ob der IGT-Strom oberhalb oder unterhalb des Zwischenreferenzwertes ist und ob er oberhalb oder unterhalb des niedrigen Referenzwertes ist, so daß, falls notwendig, eine Korrekturmaßnahme durch den Mikrocontroller eingeleitet werden kann.

Falls der IGT-Strom den Zwischenreferenzwert übersteigt, erfolgt ein Korrekturvorgang nur, wenn der überstrom eine ausreichende Größe und eine ausreichende Zeitdauer hat, um den Komparator 215 auszulösen. Das heißt, der Laststrom kann den Zwischenreferenzwert für einige Zeit übersteigen, bevor eine Korrekturmaßnahme ergriffen wird. In einigen Fällen ist es vorzuziehen, die Zeitverzögerungsschaltung zu beseitigen (d.h. den Widerstand 216 und den Kondensator 220) und die Zeitverzögerungsfunktion durch Softwareroutinen auszuführen, welche in dem Mikrocontroller implementiert sind. Der Vergleich des IGT- oder LastStroms mit dem niedrigen oder minimalen Referenzwert gestattet die Erzeugung eines Diagnosesignals (z.B. 0,05 A), welches angibt, ob eine Last angeschlossen ist, oder, wenn dem so ist, ob sie offen ist. Das Q-Ausgangssignal eines Flipflops 217 ist ein Diagnoseschalter zustandssignal, welches angibt, ob eine Spannung an der angeschlossenen Last vorhanden ist oder nicht. Die Setzeingangsklemme des Flipflops 217 ist mit dem Ausgang eines NAND-Gatters 218 verbunden. Das NAND-Gatter 218 empfängt das invertierte WechselStromnulldurchgangssignal aus einem Inverter 219 an seiner ersten Eingangsklemme und das Ausgangssignal eines Komparators 221 an seiner anderen Eingangsklemme. Der Komparator 221 vergleicht die Netz- und die Lastspannung, um ein Logiksignal zu liefern, welches anzeigt, ob die Lastspannung größer oder kleiner als ein vorgewählter Prozentsatz der Netzspannung ist. Beispielsweise kann das Ausgangssignal anzeigen, ob die Lastspannung größer oder kleiner als 70 % der Netzspannung ist. Die Netz- und die Lastspannung werden über Eingangswiderstände 223 bzw. 224 an die Eingangsklemmen des Komparators 221 angelegt. Funktionsmäßig verhindert das NAND-Gatter 218 eine Zustandsänderung des Ausgangs des Flipflops 217 immer dann, wenn die Wechselstromnetzspannung innerhalb eines gewissen Bereiches von null Volt ist. Tatsächlich werden deshalb Entscheidungen über den Status der Lastspannung immer dann nicht getroffen, wenn die Wechselstromnetzspannung nahe einem Nulldurchgang ist.

Das Flipflop 217 wird durch das Ausgangssignal eines NAND-Gatter s 226 rückgesetzt. Das erste Eingangssignal des NAND-Gatters 226 wird mit dem invertierten Nulldurchgangssignal aus dem Inverter 219 geliefert/ und das zweite Eingangssignal wird mit dem Ausgangssignal des Komparators 221 geliefert, nachdem dieses durch einen Inverter 227 invertiert worden ist.

Das verbleibende Schalterzustandssignal wird durch eine Temperaturüberwachungsschaltung 229 geliefert und zeigt die relative Temperatur des IGT (oder der IGTs in dem Falle einer Wechselstromausgabe)-Schaltvorrichtung an. Die Temperaturüberwachungsschaltung 229 ist vorzugsweise ein einfacher PN-Übergang-Temperaturdetektor 229, der in guter thermischer Verbindung mit dem IGT ist. Der Temperaturdetektor 229 kann beispielsweise so gewählt werden, daß er eine Anzeige liefert, wenn die IGT-Temperatur 150⁰C überschritten hat.

Fig. 9, die sich aus den Fig. 9A-9C zusammensetzt, zeigt eine Ausführungsform des Übertragungsabschnitts (111 in Fig. 4) ausführlicher. Die Ausgangssignale aus dem Zeitgeber 117 werden aus einem RC-Zeitglied gewonnen, welches aus einem Widerstand 300 und einem Zeitsteuerkondensator 301 besteht. Der Widerstand 300 und der Kondensator 301 sind zwischen einer positiven Spannungsquelle +V und einem gemeinsamen Schaltungspunkt in Reihe geschaltet. Die Verbindung zwischen dem Widerstand 300 und dem Kondensator 301 ist mit dem invertierenden Eingang eines LOS-Komparators 303 und mit den nichtinvertierenden Eingängen von SYNC-und CLK-Komparatoren 304 bzw. 305 verbunden. Widerstände 308-312 bilden eine Spannungsteilerschaltung, in welcher die Widerstände zwischen +V und dem gemeinsamen Schaltungspunkt in Reihe geschaltet sind. Jede Verbindung zwischen den Widerständen 308-312 der Spannungsteilerschaltung liefert daher eine Referenzspannung. Die höchste Referenzspannung, die an der Verbindung

zwischen den Widerständen 308 und 309 abgegeben wird, wird an den nicht invertier en den Eingang des !Comparators 303 angelegt. Die anderen Referenzspannungswerte werden in absteigender Reihenfolge des Spannungswertes entsprechend an die invertierenden Eingänge des SYNC-Komparators 304 und des CLK-Komparators 305 und an den nichtinvertierenden Eingang eines Steuerkomparators 314 angelegt.

Die Kollektorklemme eines Transistors 315 ist über einen Kollektorwiderstand 316 mit dem Zeitsteuerkondensator 301 verbunden, dessen anderes Ende mit dem Emitter des Transistors 315 verbunden ist. Der Ein/Aus-Zustand des Transistors 315 steuert den Lade-/Entladezyklus des Kondensators 301 und wird seinerseits durch das Q-Ausgangssignal eines Flipflops 317 gesteuert. Ein Widerstand 318 ist zwischen den Basisanschluß des Transistors 315 und den Q-Ausgang des Flipflops 317 geschaltet. Die Rücksetzklemme des Flipflops 317 empfängt das Ausgangssignal des Steuerkomparators 314. Der Steuerkomparator 314 vergleicht ständig die Spannung an dem Zeitsteuerkondensator 301 (welcher an dem invertierenden Eingang des Komparators 314 anliegt) mit der Referenzspannung, die an der Verbindung der Widerstände 311 und 312 abgenommen wird.

Für die Betrachtung der Arbeitsweise des Zeitgebers 117 wird zuerst angenommen, daß der Q-Ausgang des Flipflops 317 auf einem niedrigen Pegel ist, welcher den Transistor 315 gesperrt hält, so daß der Kondensator 301 auf einen gewissen Spannungswert aufgeladen wird, so daß das Ausgangssignal des Steuerkomparators 314 im L-Zustand ist. Unter diesen Bedingungen bewirkt eine ansteigende Flanke eines Impulses, der an den Takteingang C des Flipflops 317 über einen Pufferverstärker 320 angelegt wird, daß ein hoher Pegel an dem Q-Ausgang erscheint. Dadurch wird der Transistor 315 durchgesteuert und der ZeitSteuerkondensator 301 entladen. Mit dem Entladen des Kondensators 301 wird das Ausgangssignal

des CLK-Komparators 305 auf einen L-Pegel gebracht. Der Ausgang des Komparators 304 wird, wenn er nicht bereits auf L ist, ebenfalls auf L gebracht, und der Ausgang des LOS-Komparators 303 wird auf H gebracht, wenn er nicht bereits in diesem Zustand ist.

Das Entladen des Kondensators 301 wird durch den Komparator 314 erfaßt, dessen Ausgang in den Η-Zustand geht und das Flipflop 317 rücksetzt. Der Q-Ausgang des Flipflops 317 geht dann in den L-Zustand, der Transistor 315 wird gesperrt und so dem Kondensator 301 gestattet, mit dem Wiederaufladen zu beginnen. Nachdem die Wiederaufladespannung ausreichend hoch ist, wird der Taktkomparator 305 getriggert, welcher ein CLK-Signal mit Η-Pegel erzeugt. Wenn dem Kondensator 301 gestattet wird, sich weiterhin aufzuladen, wird ein gewisser Spannungswert erreicht, der zuerst den SYNC-Komparator 304 und dann den LOS-Komparator 303 triggern wird. Der SYNC-Komparator 304 wird daher durch einen "fehlenden Impuls" getriggert, und der LOS-Komparator wird durch einen Verlust von SIG getriggert, der ungefähr 2,5T dauert, wie es oben beschrieben worden ist.

Gemäß Fig. 9B werden die SIG- und CLK-Signale an das Ausgangsdatenfilter 119 angelegt, welches Flipflops 325 und 326, ein Exklusiv-NOR-Gatter 329, ein NAND-Gatter 328, einen Inverter 330 und übertragungsgatter 331 und 332 enthält. Die SIG- und CLK-Impulse werden an die Eingänge D bzw. C des Flipflops 325 angelegt, welches an seinem Q-Ausgang den H- oder L-Zustand des unmittelbar vorhergehenden SIG-Impulses festhält, so daß die Werte der ersten beiden Impulse eines Rahmens miteinander verglichen werden. Wenn der Taktimpuls erscheint, ist der SIG-Wert entweder hoch oder niedrig, je nach dem, ob der Impulswert 75 % oder 25 % Tastverhältnis ist. Bei einem 25 %-Tastverhältnis-Impuls wird der Q-Ausgang des Flipflops 325 in den L-Zustand gebracht; bei einem 75 %-Tastverhältnis-Impuls wird der Q-Ausgang in den Η-Zustand gebracht. Es erfolgt daher tat-

sächlich eine Abtastung des SIG-Wertes bei jedem Auftreten des Taktimpulses. Der Q~Ausgangswert aus dem Flipflop wird an einen Ausgang des Exklusiv-NOR-Gatters 329 angelegt, und der SIG-Wert wird an dessen anderen Eingang angelegt. Daher werden der Stromimpulswert und die vorhergehenden Impulswerte in dem Exkl'usiv-NOR-Gatter 329 verglichen, dessen Ausgangssignal immer dann einen Η-Pegel hat, wenn die Eingangssignale dieselben sind.

Das Ausgangssignal des Exklusiv-NOR-Gatters 329 wird als ein Eingangssignal an ein NAND-Gatter 328 angelegt, welches die Zählimpulse SO bzw. S1 an seinen anderen beiden Eingängen empfängt. Die Werte von SO, SO, S1 und S1 zeigen, zusammengenommen, an, welcher Impuls in einem Rahmen empfangen wird. Wenn die ersten beiden Impulswerte eines Rahmens dieselben sind und wenn es der zweite Impuls ist, der empfangen wird, nimmt deshalb das Ausgangssignal des NAND-Gatters 328 einen logischen Nullwert an. Zu allen anderen Zeiten und bei anderen Bedingungen ist das Ausgangssignal des NAND-Gatters 328 eine logische Eins.

Eine logische Null an dem Ausgang des NAND-Gatters 328 zeigt daher Übereinstimmung zwischen den ersten beiden Impulsen eines Rahmens und eine gültige Bedingung, um den Q-Ausgang eines Flipflops 326 auf den neuesten Stand zu bringen, an. Zu diesen Zweck wird das Ausgangssignal des NAND-Gatters 328 parallel an den Eingang eines Inverters

330 und an entgegengesetzt wirkende Steueranschlüsse von Übertragungsgattern 331 und 332 angelegt. Eine logische Null an dem Ausgang des NAND-Gatters 328 bewirkt, daß das übertragungsgatter 332 abgeschaltet und das Übertragungsgatter

331 eingeschaltet wird und das Steuersignal SIG zu dem D-Eingang des Flipflops 326 geleitet wird. Das Auftreten eines Taktimpulses taktet dann den neuen Wert durch zu dem Ausgang des Flipflops 326.

Andererseits, wenn es einen Mangel an Redundanz in den ersten beiden Impulsen eines Rahmens gibt, ist das Ausgangssignal des NAND-Gatters 328 eine logische Eins, was bewirkt, daß das Übertragungsgatter 331 gesperrt und das Übertragungsgatter 332 durchgesteuert gehalten wird. Unter diesen Bedingungen wird das Ausgangssignal des Flipflops 326 über das Gatter 332 rückgekoppelt, was bewirkt, daß das Flipflop 326 den vorherigen Ausgangszustand aufrechterhält. Das Q-Ausgangssignal des Flipflops 326 stellt deshalb eine gefilterte Version des Ein/Aus-Signals dar, welches dann zu dem Ausgangsselektor 120 geleitet wird.

Zusätzlich zu dem gefilterten Ein/Aus-Signal empfängt der Ausgangsselektor 120 das Signal LOS sowie das Halte-letzten-Zustand- und das komplementäre Fehlwertsignal HLS bzw. DEF. Der Ausgangsselektor 120 (welcher NOR-Gatter 335-337 und ein ODER-Gatter 338 enthält) hat die Funktion, einen gewünschten Wert für das EIN/AUS-Ausgangssignal in dem Fall eines Verlustes von Übertragungen zwischen einem E/A-Punkt und dem Mikrocontroller, d.h. einem Verlust des Steuersignals SIG, zu wählen. Sollte ein solcher Verlust in den Übertragungen auftreten, liefert der Ausgangsselektor 120 ein EIN/AUS-Signal, welches entweder der letzte gesendete Wert von SIG oder ein Fehlwert-Wert ist, was von den Signalen HLS und DEF abhängig ist, die als Steuereingangssignale an den Ausgangsselektor 120 angelegt werden.

Die Signale HLS und DEF werden durch das Halte-letzten-Zustand-Flipflop 123 bzw. durch das Fehlwertflipflop 124 erzeugt. Diese Flipflops sind im wesentlichen gleich, sprechen aber auf unterschiedliche Impulse in einem Steuersignalrahmen an. Das HLS-Flipflop 123 enthält ein NAND-Gatter 340, Übertragungsgatter 342 und 343, einen Inverter 344 und ein Flipflop 345; das Fehlwertflipflop 124 (Fig. 9C) enthält ein NAND-Gatter 348, Übertragungsgatter 349 und 350, einen Inverter 352 und ein Flipflop 353. Da der Schaltungsaufbau und die Arbeitsweise dieser beiden Flipflops im wesentlichen

gleich sind, bedarf nur das HLS-Flipflop 123 einer ausführlichen Erläuterung.

Das HLS-Flipflop 123 spricht auf den dritten Impuls in einem Steuersignalrahmen an (d.h./ es spricht auf SO- und S1-Impulse mit Η-Pegel aus dem 2-Bit-Zähler 121 an), und zwar auf eine Weise, die gestattet, den Flipflopausgang auf den neuesten Stand zu bringen. Die Impulse SO und S1 werden als Eingangssignale an das NAND-Gatter 340 angelegt, dessen Ausgangssignal die Übertragungsgatter 342 und 343 steuert. Das Ausgangssignal des NAND-Gatters 340 wird an einen ersten Satz von entgegengesetzt wirkenden Steueranschlüssen der Übertragungsgatter 342 und 343 und an den Inverter 344 angelegt. Das Ausgangssignal des Inverters 344 wird an einen zweiten Satz von entgegengesetzt wirkenden Steueranschlüssen der Übertragungsgatter 342 und 343 angelegt. Daher wird im Betrieb durch das Auftreten eines dritten Impulses in dem Steuersignalrahmen das Übertragungsgatter 343 eingeschaltet und das Übertragungsgatter 342 ausgeschaltet. Da das Steuersignal an den Eingang des Übertragungsgatters 343 angelegt wird, wird das Signal zu dem D-Eingang des Flipflops 345 durchgelassen, wodurch das Signal HLS auf den neuesten Stand gebracht wird, das dem Ausgang Q des Flipflop 345 entnommen wird. Das Ausgangssignal HLS wird außerdem zu dem Eingang des Übertragungsgatters 342 rückgekoppelt, so daß bei Nichtvorhandensein eines dritten Impulses in einem Steuersignalrahmen der HLS-Wert verriegelt bleibt. Das Taktsignal CLK wird an den Takteingang C des Flipflops 345 angelegt. Das Ausgangssignal des HLS-Flipflops 123 wird an den Ausgangsselektor 120 angelegt.

Im Vergleich dazu arbeitet das Fehlwertflipflop 124 im wesentlichen auf dieselbe Weise, es spricht aber auf den vierten Impuls in einem Rahmen an. Das heißt, das Fehlwertflipflop spricht auf die Impulse SO und S1 eines Steuersignalrahmens an. Bemerkenswert ist jedoch die Tatsache, daß das Ausgangssignal des Fehlwertflipflops 124 an dem Q-Ausgang

des Flipflops 353 abgenommen wird, so daß das komplementäre Signal DEF an den Ausgangsselektor 120 angelegt wird.

Bei normalen Operationen besteht die Funktion des Ausgangsselektors 120 darin, das Steuersignal aus dem Flipflop 326 einfach zu invertieren und durchzulassen, wobei dieses Signal dann das Ein/Aus-Signal wird, das an den Steuer- und Abfühlabschnitt 113 (Fig. 4) angelegt wird. Bei einem Verlust von Übertragungen zwischen dem E/A-Punkt und dem Mikrocontroller (d.h. einem Verlust des Steuersignals SIG) wird jedoch das EIN/AüS-Ausgangssignal auf einen vorbestimmten, gewünschten Zustand gebracht, welcher durch die Signale LOS und HLS bestimmt wird. Diese letztgenannten Signale werden beide als Eingangssignale an den Ausgangsselektor 120 angelegt. Falls es einen Verlust an Übertragungen gibt, hält der Ausgangsselektor 120 entweder den letzten Zustand oder wählt einen Fehlwertzustand, je nachdem , was vorgewählt worden ist. Die Vorwahl erfolgt, um den E/A-Punkt in einen bevorzugten, sicheren Zustand zu zwingen, sollte es einen Übertragungsverlust geben.

Die Signale LOS und HLS sind Eingangssignale des NOR-Gatters 335, dessen Ausgangssignal ein Eingangssignal des NOR-Gatters 337 ist. Das zweite Eingangssignal des NOR-Gatters 337 ist das Signal aus dem Q-Ausgang des Flipflops 326. Daher steuert das NOR-Gatter 335 das NOR-Gatter 337, so daß, wenn entweder LOS oder HLS auf einem hohen Pegel ist, das NOR-Gatter 337 einfach das Steuersignal aus dem Flipflop 326 invertiert. Andererseits, wenn LOS auf einem L-Pegel ist (Verlust an Übertragungen), und HLS ebenfalls auf einem L-Pegel ist, ist das Ausgangssignal des NOR-Gatters 335 auf einem Η-Pegel, wodurch das Ausgangssignal des NOR-Gatters 337 auf einem L-Pegel gehalten wird.

Die Signale LOS, HLS und DEF werden an das NOR-Gatter 336 angelegt, dessen Ausgangssignal ebenso wie das Ausgangssignal des NOR-Gatters 337 als Eingangssignal an das ODER-Gat-

ter 338 angelegt wird. Das Ausgangssignal des ODER-Gatters 338 ist das EIN/AUS-Steuersignal. Bei einem Verlust an Übertragungen (LOS niedrig, d.h. im L-Zustand) und keinem Kommando zum Halten des letzten Zustands (HLS niedrig, d.h. im L-Zustand), wird daher das EIN/AUS-Ausgangssignal des ODER-Gatters 338 als das Fehlwertsignal DEF gewählt (d.h. DEF wird durch das NOR-Gatter 336 invertiert). Die Arbeitsweise ist deshalb so, daß, wenn es einen Verlust an Übertragungen gibt und das Halten des letzten Zustands nicht gewählt ist, ein Fehlwertzustand gewählt wird. Ob der letzte Zustand gehalten wird, wenn der Fehlwertzustand gewählt wird, ist selbstverständlich durch geeignetes Setzen des HLS-Flipflops 123 und des Fehlwertflipflops 124 steuerbar.

Vorstehend ist der Weg vorwärts durch den Steuer- und Übertragungsabschnitt 111 ausführlich beschrieben. Die Rückkehr von codierter Diagnoseinformation erfolgt gemäß obiger Beschreibung durch das Zustandsflipflop 125 und die 1-aus-4-Datenwählschaltung 129. Das Codieren der Information ist ausführlich mit Bezug auf Fig. 10 erläutert, an dieser Stelle ist die Feststellung ausreichend, daß die Eingangssignale X0-X3 an dem Zustandsflipflop 125 codiert werden, damit sie die Diagnose- und andere Information enthalten, die zu dem Mikrocontroller 90 in Fig. 3 zurückzuleiten ist. Das Zustandsflipflop 125 kann eine im Handel erhältlicheVorrichtung sein, wie beispielsweise das Modell MC14174, das von der Motorola Inc. erhältlich ist. Die codierte Information X0-X3 wird in das Zustandsflipflop 125 an der ansteigenden Flanke des SYNC-Signals, das außerdem an den Zustandscodierer 125 angelegt wird, eingegeben. Somit wird ein neuer Datensatz bei jedem Rahmen des Steuersignals eingegeben. Diese Daten bilden ein Diagnosesignal, welches die Betriebsparameter des E/APunktes ang ibt.

Die Daten aus dem Zustandsflipflop 125 werden Bit für Bit durch den 1-aus-4-Datenselektor 129 und über den Pufferver-

stärker 360 zu dem MikroController 90 gesendet. Der Datenselektor 129 spricht auf den Stromwert aus dem 2-Bit-Zähler 121 an und bewirkt, daß die Werte von XO-X3 in der Reihenfolge durchgelassen werden. Wenn beispielsweise der erste Impuls in einem Rahmen empfangen wird, wird das XO-Bit der Diagnosedaten daher gleichzeitig gesendet. Der Datenselektor 129 kann eine im Handel erhältliche Vorrichtung sein, wie beispielsweise das Modell MC14052 von Motorola Inc.

Fig. 10 zeigt eine Wahrheitstabelle für einen Zustandscodierer wie den Codierer 125 in Fig. 4. Ein Codierer gemäß der Wahrheitstabelle in Fig. 10 kann leicht mit Standardverknüpfungslogikelementen durch den Fachmann impelemtiert werden.

In Fig. 10 sind die Eingangsbedingungen horizontal oben im linken Teil der Tabelle aufgelistet. In den Spalten darunter sind die möglichen Werte angegeben, die jedes Eingangssignal annehmen kann. In der Tabelle bedeuten "Einsen", daß ein Wert wahr ist (z.B. ein Signal mit hohem oder H-Pegel), "Nullen" bedeuten, daß ein Wert nicht wahr ist, und ein X bedeutet jeweils "unbeachtlich" (d.h. kann entweder eins oder null sein, ohne daß das eine Auswirkung hat). Das A-Bit-Ausgangssignal X0-X3 des Zustandscodierers 125 ist in dem rechten Teil der Tabelle gezeigt, wobei X0-X3 horizontal über vier Spalten verteilt sind. Jede horizontale Zeile in den vier Spalten ist somit ein 4-Bit-Wort, welches eindeutig den Zustand des E/A-Punkts definiert. Das 4-Bit-Wort sind die Diagnosedaten, die zu dem MikroController 90 nach Fig. 4 und schließlich zu dem Controller CPU (Fig. 1) zurückgeleitet werden.

In der Wahrheitstabelle zeigt beispielsweise die erste Zeile einen Η-Pegel in der Spalte für niedrige Spannung, wogegen die übrigen Spalten unbestimmte, d.h. unbeachtliche Zustände angeben. Unter diesen Umständen ist das 4-Bit-Wort

eindeutig bestimmt und besteht nur aus Nullen. Dieses nur aus Nullen bestehende 4-Bit-Wort signalisiert einen Verlust der E/A-Punkt-Stromversorgung. Weiter zeigt beispielsweise die sechste Zeile, daß der Ausgang auf Ein befohlen ist, daß aber der Ausgang in einem kurzgeschlossenen Zustand ist. Das heißt/ es erscheint eine Eins in Spalte eins unter EIN/AUS, was anzeigt, daß der E/A-Punkt einzuschalten ist, während es gleichzeitig eine überstromanzeige in der überstromspalte (Spalte 6) gibt. Das 4-Bit-Ausgangswort für diesen Zustand besteht aus lauter Nullen, mit der Ausnahme, daß X3 auf dem 1-Pegel ist. Ebenso gibt es einen Satz von fünfzehn eindeutigen 4-Bit-Wörtern, welche die verschiedenen Bedingungen des E/A-Punktes definieren.

Das vorstehend beschriebene Ein-/Ausgabe-System ist besonders in Verbindung mit programmierbaren Controllern brauchbar.

Claims (11)

GENERAL ELECTRIC COMPANY 1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A. PATENTANSPRÜCHE

1. Intelligentes Ein-/Ausgabe-System mit lokalen Möglichkeiten der Diagnose und des Treffens von Entscheidungen für ein Industrieprozeßsteuersystem, bei welchem eine Zentraleinheit oder CPU gemäß einem gespeicherten Prgramm betreibbar ist, um verschiedene Signale zu empfangen, die den Status des Prozesses angeben, und um Signale zu liefern, welche die Steuerung des Prozesses gemäß dem Programm und dem Status des Prozesses bewirken, gekennzeichnet durch:

a) einen Ein-/Ausgabe-Controller (22) in der Nähe der CPU (20) zum Steuern des Austausches von Signalen mit dieser;

b) wenigstens einen Ein-/Ausgabe-Modul (24-26) zur Anordnung relativ nahe bei dem zu steuernden Prozeß (30) zum Empfangen von Eingangssignalen, welche Prozeßparameter angeben, und zum Abgeben von AusgangsSignalen an zu steuernde Elemente (89) des Prozesses, wobei der Ein-/ Ausgabe-Modul enthält:

i) mehrere Ein-/Ausgabe- oder E/A-Schaltungen (36-39; 81-88), von denen jede wahlweise entweder als eine Eingabeschaltung zum Empfangen eines der Eingangssignale oder als eine Ausgabeschaltung zum Abgeben eines der Ausgangssignale betreibbar ist;

ii) eine Einrichtung (149, 158, 186) zum Abschließen von Leitern, welche die Eingangs- und Ausgangs-Signale zwischen den E/A-Schaltungen und dem Prozeß (30) transportieren;

ffil

iii) eine Betriebssteuereinheit (90) , die gemäß einem Satz gespeicherter Befehle betreibbar ist, zum Gewährleisten eines ordnungsgemäßen Austausch=von Signalen mit dem E/A-Controller (22) und zum Steuern und Testen der Funktionstüchtigkeit der E/A-Schaltungen (36-39; 81-88);

iv) eine Einrichtung (95-102) zum Verbinden der E/ASchaltungen (36-39; 81-88) mit der Betriebssteuereinheit (90); und
c) eine Übertragungsverbindung (28) , welche den Ein-/Ausgabe-Controller (22) und den wenigstens einen Ein-/Ausgabe-Modul (24-26) miteinander verbindet, zum Transportieren der Signale zwischen denselben.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahl zum Betreiben jeder E/A-Schaltung (36-39) als eine Eingabe- oder als eine Ausgabeschaltung gemäß Befehlen aus der CPU (20) erfolgt.

3. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede E/A-Schaltung (36-39) einen öbertragungsabschnitt (111) und einen Steuer- und Abfühlabschnitt (113) enthält; wobei der Übertragungsabschnitt (111) Steuerdaten aus der Betriebssteuereinhext (90) empfangen kann, gemäß denen der E/A-Punkt (81-88) als eine Eingabe- oder als eine Ausgabeschaltung gesteuert wird, und Status- und Diagnosedaten über die E/A-Schaltung zu der Operationssteuereinheit (90) senden kann; und

wobei der Steuer- und Abfühlabschnitt (113) wenigstens einen Teil der Status- und Diagnosedaten liefert und ein- oder ausschaltbar ist oder ausgeschaltet gehalten werden kann, je nachdem , ob die E/A-Schaltung als Ausgabepunkt oder als Eingabepunkt gewählt wird.

4. System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (95-102) zum Verbinden der E/A-Schaltungen (81-88) mit der Betriebssteuereinheit (90) zwei Leiter für jede

E/A-Schaltung aufweist, von denen ein Leiter Steuersignale zu dem zugeordneten E/A-Punkt transportiert und der andere Leiter Status- und Diagnoseinformation aus dem zugeordneten E/A-Punkt zu der Betriebssteuereinheit (90) transportiert.

5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Übertragungsverbindung (28) eine serielle Datenverbindung ist.

6. Ein-/Ausgabe-System für einen IndustrieprozeBcontroller, mit einer Zentraleinheit oder CPU und einer Ein-/Ausgabe-Steuereinheit, die einen Austausch von Signalen mit der CPU steuert, wobei die CPU Steuersignale zur Steuerung von verschiedenen Prozessen in Abhängigkeit von dem gespeicherten Programm und von Eingangssignalen, welche den Betriebsstatus der Prozesse angeben, liefert, gekennzeichnet durch: mehrere Ein-/Ausgabe-Moduln (24-26) zum Austauschen von Signalen zwischen dem Prozeßcontroller (22) und den Prozessen (30), wobei jeder Modul mehrere Ein-ZAusgabe-Schaltungen (81-88), einen Mikrocontrollers (90), eine Einrichtung (95-102) zum Verbinden des Mikrocontroller (90) mit jeder Ein-/Ausgabe-Schaltung (81-88) und eine Einrichtung (149, 158, 186) zum Abschließen von Leitern enthält, welche Ein- und Ausgangssignale zwischen den Ein-/Ausgabe-Schaltungen und dem Prozeß (30) transportieren, wobei jede Ein-/Ausgabe-Schaltung unter dem Kommando aus der CPU (20) wahlweise als eine Eingabeschaltung oder als eine Ausgabeschaltung betreibbar ist; und

eine übertragungsverbindung (28) , welche jeden Ein-/Ausgabe-Modul (24-26) mit der Ein-/Ausgabe-Steuereinheit (22) verbindet, zum Transportieren von Signalen zwischen jedem Ein-/Ausgabe-Modul und der Ein-/Ausgabe-Steuereinheit.

7. System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Ein-/Ausgabe-Schaltung (36-39; 81-88) einen übertragungsab-

schnitt (111) und einen Steuer- und Abfühlabschnitt (113) enthält;

wobei der Übertragungsabschnitt (111) eine Einrichtung enthält zum Empfangen eines wiederkehrenden Satzes von Steuersignalen aus dem Mikrocontroller (90), eine Einrichtung (120), die auf den Satz von Steuersignalen hin ein EIN/AUS-Signal an den Steuer- und Abfühlabschnitt (113) abgibt, eine Einrichtung (125) zum Empfangen eines ersten Satzes von Diagnosesignalen aus dem Steuer- und Abfühlabschnitt (113), eine Einrichtung (127) zum Codieren des ersten Satzes von Diagnosesignalen, um einen codierten Satz von Diagnosesignalen zu erzeugen, und eine Einrichtung (129) zum Senden des codierten Satzes von Diagnosesignalen zu dem Mikrocontroller (90); und

wobei der Steuer- und Abfühlabschnitt (113) eine Einrichtung (137) enthält, die auf das EIN/AüS-Signal hin den Ein- oder Aus-Status der Ein-/Ausgabe-Schaltung bestimmt, und eine Einrichtung (133, 135), die auf die Betriebszustände der Ein-/Ausgabe-Schaltung hin den ersten Satz von Diagnosesignalen erzeugt.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (137), die auf das EIN/AüS-Signal anspricht, einen IG-Transistor (141, 161, 175, 176) enthält.

9. System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der IG-Transistor (141, 161, 175, 176) einen Hauptstromabschnitt und einen Emulationsstromabschnitt hat.

10. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Abschließen von Leitern mehrere Klemmen (152, 155, 159, 160, 187, 190) enthält, welche einen Anschlußpunkt (149, 158, 186) für jede E/A-Schaltung (36-39; 81-88) haben, zum Abschließen der Leiter an Eingangsabfühlvorrichtungen und an Ausgangslastvorrichtungen (150, 157, 191); und einen Satz von gemeinsamen Anschlußpunkten zum Ab-

schließen der Leiter an den Eingangsabfühlvorrichtungen oder den Ausgangslastvorrichtungen in Abhängigkeit davon, ob eine Ein-/Ausgabe-Schaltung als eine Eingabeschaltung oder als eine Ausgabeschaltung arbeitet.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung, die auf das Ein/Aus-Signal anspricht, einen IG-Transistor (141, 161, 175, 176) enthält, der einen Hauptstromabschnitt und einen Emulationsstromabschnitt hat.